(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部が固定された片持ち梁構造または両端部が固定された両持ち梁構造を有する支持板と、
当該支持板のうち振動可能な振動領域上に、多層状に成膜した下部電極、圧電薄膜及び上部電極を有する振動センサ部と、
前記支持板のうち前記振動領域以外の領域である固定領域上に前記振動センサ部の下部電極と同じ材料且つ同一工程で成膜した薄膜によって形成した温度センサ部とを一体に備えていることを特徴とする複合センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の複合センサと、速度を検知する速度センサと、これら複合センサ及び速度センサを共に収容するセンサケースとを備えていることを特徴とするセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセンサ部を備え、例えば鉄道車両や自動車等の車両に好適に用いられる複合センサ、及び複合センサを備えたセンサユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鉄道車両や自動車等の各種車両には、安全性及びメンテナンス性向上を図るべく、異常振動を検知可能な振動センサ部や、異常温度を検知可能な温度センサ部、或いは感磁性素子で構成した速度センサ部等、各種センサ部が搭載されている。そして、これら各種センサ部をユニット化して共通のケース内に設ける態様が知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４０９２２号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の複合センサは、各センサ部を共通のケース内に配置して、ケース内を合成樹脂で充填することによって一体化したものである。したがって、ケース内に各センサをそれぞれ個別に配置しなければならず、ケース内における各センサの相対的な配置箇所に誤差が生じれば、その誤差に基づく各センサの検出精度の低下を招来し得るという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２には、共通の回路基板に各センサを実装したセンサユニットが開示されている。同文献中には明記されていないものの、当業者であれば「回路基板に各センサを実装する」とは、個別に作製して完成品状態にある各センサ（完成された電子部品）を回路基板にそれぞれ実装する、という意味であると捉えるのが通例である。このような態様であれば、当然のことながら各センサをそれぞれ別工程で製作するため、各センサの製作工程において相互に重複する処理があった場合であってもそれぞれ別々に行わなければならず、高コスト化を招来し得る。特に、振動センサと温度センサとの間に接着剤等の介在物があれば、温度誤差が生じやすく、適切な温度測定を行うことができないという問題が生じる。
【０００６】
また、当該技術分野では、ケース内における複合センサの更なる省スペース化（コンパクト化）が要求されている。
【０００７】
このような諸問題を悉く解決すべく、本発明者らは、少なくとも振動センシング機能及び温度センシング機能を発揮し、更なる小型化及び製造コストの削減を実現可能な複合センサを案出するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る複合センサは、一端部が固定された片持ち梁構造または両端部が固定された両持ち梁構造を有する支持板と、支持板のうち振動可能な振動領域上に、多層状に成膜した下部電極、圧電薄膜及び上部電極を有する振動センサ部と、支持板のうち振動領域以外の領域である固定領域上に振動センサ部の下部電極と同じ材料且つ同一工程で成膜した薄膜によって形成した温度センサ部とを一体に備えていることを特徴としている。
【０００９】
ここで、振動センサ部は支持板上に成膜した下部電極、圧電薄膜及び上部電極を有するものであり、支持板とは一体不可分とされるものである。したがって、電子部品として取り扱うことが可能（電子部品として回路基板に実装可能）な振動センサは、支持板と振動センサ部とから構成されたものである。同様に、温度センサ部は、支持板上に成膜した薄膜を有するものであり、支持板とは一体不可分とされるものである。したがって、電子部品として取り扱うことが可能（電子部品として回路基板に実装可能）な温度センサは、支持板と温度センサ部とから構成されたものである。すなわち、本発明において、「センサ部」とは、それ単体では電子部品を構成するものではなく、「複合センサ」自体が１つの電子部品であると捉えることができる。
【００１０】
このように、本発明の複合センサは、振動センサ部を形成した支持板上に、振動センサ部の下部電極と同じ材料で成膜した薄膜からなる温度センサ部を形成するという技術的思想、すなわち、振動センサ（振動センサ部と支持板とを備えたもの）の一部を利用して温度センサ（温度センサ部と支持板とを備えたもの）を形成するという斬新な技術的思想を採用することにより、複合センサ全体のコンパクト化、省スペース化を実現することができる。しかも、本発明の複合センサは、振動センサを構成する支持板のうち振動センサによる振動センシング機能には直接寄与することのない領域（振動領域以外の領域、固定領域）上に温度センサ部を形成しているため、例えば回路基板上における電子部品の実装密度を高めることによってコンパクト化を図る態様と比較して、効率良く容易にコンパクト化を実現できる。
【００１１】
さらに、本発明の複合センサは、支持板上における振動センサ部と温度センサ部との相対位置を製造段階で固定することができるため、ケース内に各センサ（電子部品である振動センサや温度センサ）をそれぞれ個別に配置する態様であれば生じ得る不具合、つまり、ケース内における各センサの相対的な配置箇所の誤差に基づいて各センサの検出精度が低下するという不具合を解消することができる。
【００１２】
また、本発明の複合センサでは、共通の支持板上に同じ材料を用いて振動センサ部の下部電極と温度センサ部の薄膜を形成しているため、この成膜処理を同一工程で同時に行うことができ、製造工程の簡素化、ひいては製造コストの削減を図ることができる。加えて、本発明の複合センサであれば、振動センサ部と温度センサ部との間に接着剤等の介在物を配置する必要がないため、振動センサ部と温度センサ部との間に接着剤等の介在物があれば生じる不具合、つまり、温度誤差が生じやすく、適切な温度測定を行うことができないという不具合の発生を防止することができる。
【００１３】
また、本発明のセンサユニットは、上述した構成の複合センサと、速度を検知する速度センサとを共通のセンサケースに収容していることを特徴としている。このようなセンサユニットであれば、上述した複合センサに基づく種々の作用効果を発揮し、振動センシング機能及び温度センシング機能に加えて、速度センシング機能を有効に発揮するセンサユニットとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、共通の支持板上に振動センサ部及び温度センサ部を形成し、これら振動センサ部及び温度センサ部の一部または全部を相互に同じ材料を用いて成膜処理により形成することにより、少なくとも振動センシング機能及び温度センシング機能を発揮して、小型化及び製造コストの削減を実現可能な複合センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合センサを備えたセンサユニットの全体模式図。
【図２】同実施形態に係る複合センサの平面模式図。
【図３】図２のｘ−ｘ線断面模式図。
【図４】同実施形態に係る複合センサの製造工程を示すフローチャート。
【図５】図１のＡ方向から見たセンサユニットの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施形態に係るセンサユニット１は、図１に示すように、振動センシング機能及び温度センシング機能を発揮する複合センサ２と、速度センシング機能を発揮する速度センサ３と、これら複合センサ２及び速度センサ３を実装した回路基板４と、これらを収容するセンサケース５とを備え、例えば鉄道車両等の車両の適宜箇所に設けたハウジングＨにセンサケース５ごと取付可能なものである。
【００１８】
複合センサ２は、図２及び図３（図２は複合センサ２の平面模式図であり、図３は図２のｘ−ｘ線断面模式図である）に示すように、共通の支持板６（例えばシリコン単結晶基板）上に振動センサ部７と温度センサ部８とを形成したものである。支持板６は、支持台９により片持ち梁状に支持されている。すなわち、支持板６の長手方向一端部側領域が支持台９に支持され、支持台９に支持されていない長手方向他端部側領域が振動可能な振動領域６１であり、支持台９に支持されている長手方向一端部側領域が振動しない固定領域６２である。本実施形態では、支持台９としてガラス板を適用しているが、ガラス以外の材料によって支持台９を形成することも可能である。
【００１９】
振動センサ部７は、図２及び図３に示すように、支持板６のうち振動領域６１上に複層状に形成した下部電極７１、圧電薄膜７２、及び上部電極７３を主体としてなり、支持板６の振動に応じて圧電薄膜７２に分極が生じ、下部電極７１及び上部電極７３を通じて例えば図示しない電荷電圧変換回路、電圧増幅回路等により電圧に変換して振動を電気的に検出するものである。図２では、便宜的に下部電極７１、圧電薄膜７２、及び上部電極７３にそれぞれ異なるパターンを付し、それぞれの厚さを誇張して示している。
【００２０】
本実施形態では、下部電極７１及び上部電極７３として、圧電薄膜７２の結晶性を高めるために白金薄膜を適用している。なお、図示しないが、下部電極７１と支持板６との密着性を高めるためにチタン薄膜を下部電極７１と支持板６との間に設けたり、上部電極７３と圧電薄膜７２との密着性を高めるためにクロム薄膜等を上部電極７３と圧電薄膜７２との間に設けることもできる。下部電極７１や上部電極７３として、白金以外の材料からなる薄膜（例えば金等）を適用することもできる。また、圧電薄膜７２としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた薄膜が好適であるが、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）を用いることもできる。
【００２１】
温度センサ部８は、図２及び図３に示すように、支持板６のうち固定領域６２上に形成され、所定寸法分だけ隔てて設けた一対の電極８１と、これら電極８１間に設けた測温抵抗部８２とからなるものである。そして、本実施形態の複合センサ２は、温度センサ部８を構成する一対の電極８１及び測温抵抗部８２を、振動センサ部７の下部電極７１と同じ材料を成膜して形成した薄膜により形成している。振動センサ部７の下部電極７１を白金で形成している場合、耐腐食性に強い白金で温度センサ部８の電極８１及び測温抵抗部８２を形成することができる。本実施形態では、測温抵抗部８２を所定の抵抗値になるようにミアンダパターンで形成し、温度に応じた抵抗値となるように設定している。図２では、測温抵抗部８２として、ミアンダパターンの長軸を支持板６の長手方向と直交する方向に平行となるようにレイアウトした態様を例示しているが、ミアンダパターンの長軸を支持板６の長手方向に平行となるようにレイアウトした測温抵抗部８２であってもよい。このような温度センサ部８は温度に応じた抵抗値を図示しない回路によって電気信号として出力することができる。なお、図２及び図３では、説明の便宜上、温度センサ部８の電極８１及び測温抵抗部８２には振動センサ部７の下部電極７１と同じパターン、ハッチングを付している。
【００２２】
本実施形態のセンサユニット１は、図１に示すように、振動センサ部７及び温度センサ部８を一体に形成した複合センサ２を回路基板４に実装し、この回路基板４に速度センサ３も実装している。本実施形態では、複合センサ２を密封された複合センサ用ケース２１内に収容し、この複合センサ用ケース２１、回路基板４及び速度センサ３をセンサユニットケース５内に収容している。
【００２３】
次に、複合センサ２を製作する手順について説明する。
【００２４】
先ず、支持板６の振動領域６１上及び支持板６の固定領域６２上に薄膜を形成する（第一次成膜工程Ｓ１、図４参照）。この第一次成膜工程Ｓ１により支持板６の振動領域６１上に形成した薄膜が振動センサ部７の下部電極７１であり、支持板６の固定領域６２上に形成した薄膜が温度センサ部８の一対の電極８１及び測温抵抗部８２である。第一次成膜工程Ｓ１を終えた時点では温度センサ部８の電極８１と測温抵抗部８２との区別はなく、この第一次成膜工程Ｓ１の後に引き続いて行う第一次フォトリソグラフィ工程Ｓ２により、ミアンダパターンの測温抵抗部８２を形成する。なお、支持板６上における振動領域６１と固定領域６２との境界近傍領域には、振動センサ部７（下部電極７１）と温度センサ部８との絶縁を図るために薄膜を形成していないスペース（薄膜非形成領域６３）を確保する必要がある。このような薄膜非形成領域６３を確保するには、第一次成膜工程Ｓ１の成膜処理で支持板６上における振動領域６１と固定領域６２との境界近傍領域に薄膜を形成しないようにしたり、第一次成膜工程Ｓ１で支持板６上全体に成膜を形成した後に、振動領域６１と固定領域６２との境界近傍領域に形成した薄膜を除去すればよい。この薄膜除去処理を第一次フォトリソグラフィ工程Ｓ２のフォトリソグラフィ処理により行うこともできる。
【００２５】
次いで、振動領域６１上に形成した薄膜である振動センサ部７の下部電極７１上に圧電薄膜７２を形成し（第二次成膜工程Ｓ３、図４参照）、その後、圧電薄膜７２上に上部電極７３として機能する薄膜を形成する（第三次成膜工程Ｓ４、図４参照）。なお、図２に示すように、圧電薄膜７２の平面積は下部電極７１の平面積よりも小さく、上部電極７３の平面積は圧電薄膜７２の平面積よりも小さく設定している。
【００２６】
引き続いて、温度センサ部８の電極８１、振動センサ部７の圧電薄膜７２及び上部電極７３をフォトリソグラフィ処理し（第二次フォトリソグラフィ工程Ｓ５、図４参照）、支持板６上に振動センサ部７及び温度センサ部８を形成した複合センサ２をダイシング処理により所定サイズに切り出す（ダイシング工程Ｓ６、図４参照）。そして、所定サイズに切り出した複合センサ２を、先端側に速度センサ３を実装した回路基板４の基端側に実装して接合し（回路基板接合工程Ｓ７、図４参照）、ワイヤボンディング処理により振動センサ部７の下部電極７１及び上部電極７３、温度センサ部８の電極８１をそれぞれ回路基板４に接続する（ワイヤボンディング工程Ｓ８、図４参照）。本実施形態では、複合センサ２を、その長手方向（支持板６の長手方向）が回路基板４の長手方向と直交ないし略直交する姿勢で回路基板４に取り付けている。最後に、複合センサ２を複合センサ用ケース２１内に収容してこの複合センサ用ケース２１を密封する（ケース密封工程Ｓ９、図４参照）。
【００２７】
以上の手順により、複合センサ２を製作し、作製した複合センサ２を回路基板４に実装して複合センサ用ケース２１内に収容する（図１参照）。
【００２８】
そして、複合センサ用ケース２１に収容した複合センサ２、回路基板４及び速度センサ３をセンサケース５内に収容し、センサケース５内を適宜の合成樹脂で充填する。この際、複合センサ用ケース２１は密封されているため、複合センサ用ケース２１内が合成樹脂で充填されることはない。
【００２９】
センサケース５には、図１及び図５（図５は図１のＡ方向矢視図）に示すように、鍔部５１が設けられ、鍔部５１を車両の適宜箇所に設けたハウジングＨに当接した状態で、鍔部５１のネジ挿通孔５１１から挿入した図示しないネジをハウジングＨ側に形成したネジ孔に螺合することによって、センサユニット１をハウジングＨに固定することができる。この状態で、速度センサ３は、ハウジングＨ内の歯車Ｇと対向し（図１参照）、歯車Ｇの回転に基づく速度を検出し得る。センサユニット１にはケーブルＢが接続され、振動センサ部７、温度センサ部８、速度センサ３で検出した各種情報をケーブルＢにより図示しない制御部に出力して、ＡＢＳ装置等の制御に利用できるように構成している。
【００３０】
このように、本実施形態に係るセンサユニット１は、振動センサ部７及び温度センサ部８を一体に形成した複合センサ２を備え、振動センサ部７の下部電極７１と温度センサ部８の電極８１や測温抵抗部８２を同じ材料を用いて成膜処理した薄膜によって形成しているため、従来であれば同じ工程をそれぞれ別々に行っていた処理を同一工程で行うことができ、製造コストの削減及び製作工程の簡素化を有効に図ることができる。また、材料の浪費も防止することができる。しかも、本実施形態の複合センサ２は、回路基板４上に電子部品の振動センサや温度センサを個別に実装するのではなく、振動センサ部７の梁構造体として機能する支持板６上に温度センサ部８を成膜処理により形成しているため、例えば回路基板４上における各センサの実装密度を高めるという高い実装処理が要求されず、複合センサ２全体をコンパクトなものにすることができ、省スペース化にも資する。
【００３１】
また、本実施形態に係るセンサユニット１は、このような複合センサ２を速度センサ３と組み合わせてセンサユニット１を構成することにより、小型で低コストでありながら車両の速度、振動及び温度の検出を好適に行うことができる。
【００３２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、支持台により片持ち梁状に支持されている支持板を例示したが、支持台により両持ち梁状に支持されている支持板を適用することができる。この場合、支持板のうち支持台に接触していない振動領域上に振動センサ部を形成し、支持板のうち支持台に接触している固定領域に温度センサ部を形成すればよい。
【００３３】
また、上述した実施形態では図１に示すように複合センサ２を複合センサ用ケース２１に収容した状態でセンサケース５内に設けた態様を例示したが、複合センサを複合センサ用ケースに収容せずに直接センサケース内に設けることもできる。この場合、複合センサを回路基板（図１中の符号４に相当するもの）に直接取り付ける（実装する）ようにし、振動センサによる振動センシング機能を確保するために、センサケース内を充填処理することなく、中空状態にしておくことが好ましい。このような態様であれば、複合センサ専用のケース（複合センサ用ケース）が不要であるため、構造の簡素化を図ることができるとともに、センサケース内の充填処理を省略することができ、好適である。複合センサの好ましい実装態様としては、複合センサの支持板の表面が回路基板の表面に対して平行ないし略平行となる姿勢で複合センサを回路基板上に実装する態様を挙げることができる。
【００３４】
また、支持板上に、振動センサ部、温度センサ部に加えて速度センサを形成することも可能である。
【００３５】
また、振動センサ部及び温度センサ部のベースとして機能する支持板としては、シリコンの他に、アルミニウムやステンレス等を適用しても構わない。
【００３６】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１…センサユニット
２…複合センサ
３…速度センサ
５…センサケース
６…支持板
６１…振動領域
６２…振動領域以外の領域（固定領域）
７…振動センサ部
７１…下部電極
７２…圧電薄膜
７３…上部電極
８…温度センサ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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